楊大可

機械羽毛翅膀

飛行中的鴿子機器人

鳥類，以一種“細(xì)致入微”的方式控制著翅膀飛行，而這是目前人類制造的機器還無法做到的。不過，剛剛在《科學(xué)》和《科學(xué)機器人》上分別發(fā)表的兩項最新研究中，同一組研究人員揭示了到底是“什么賦予了鳥類這種無與倫比的控制能力”。同一項研究的不同發(fā)現(xiàn)，在同一天登上《科學(xué)》及其子刊，足見期刊對其重視程度。這項研究，為人類能制造出像鳥類一樣，在空中靈活操縱的飛行機器人鋪平了道路。

近20 年來，機器人領(lǐng)域的專家們一直在嘗試復(fù)制羽毛狀的機械翅膀。但因為使用的都是僵硬的面板材料，加之缺乏對鳥類背部翅膀高度可控、可變形的骨骼和肌肉力學(xué)的深入了解，研究人員的種種努力都受到了極大制約。在《科學(xué)機器人》雜志上的這項研究，斯坦福大學(xué)的在讀博士生Eric Chang帶領(lǐng)團隊測試了正常鴿子的翅膀彎曲和伸展的運動學(xué)。他們將其理論發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于一個由40根鴿子羽毛制成翅膀的飛行器上，它被稱為“鴿子機器人（PigeonBot）”;鴿羽通過人造彈性韌帶與人造的翅膀關(guān)節(jié)相連。

這個“鴿子機器人”重280克，翼展80厘米，和普通鴿子非常相似。它使用電動馬達和螺旋槳來產(chǎn)生推力。Eric表示，這模仿了鳥類滑翔飛行的動力學(xué)，同時讓研究團隊能夠擁有更長的飛行測試時間。

而在《科學(xué)》雜志上，他的團隊成員LauraMatloff和同事們一起，研究了各種鳥類的單根羽毛之間的相互作用關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)了鳥類翅膀變形背后的兩個主要力學(xué)機制———羽毛的被動重新分布，以及相鄰并重疊的羽毛是通過羽毛根部一個鉤狀微小關(guān)節(jié)固定在一起的。通過在風(fēng)洞中對鴿子翅膀的研究，Eric 和團隊成員確定了，人造機械關(guān)節(jié)可以很好地控制羽毛的位置、翼展、面積和長寬比。

人造關(guān)節(jié)與鴿子羽毛的結(jié)構(gòu)

在對“鴿子機器人”的飛行測試中，通過控制機械關(guān)節(jié)讓翅膀發(fā)生不對稱的運動，可以讓“鴿子機器人”以很小的半徑進行穩(wěn)定的轉(zhuǎn)彎動作———這正是鳥類利用翅膀進行細(xì)微飛行操縱的一些基本證據(jù)。

對于怎樣想到開始這項研究的問題，Eric表示，最初他想著如今客機在機翼尾端的向上翹起、戰(zhàn)斗機的副翼，以及飛機起落架對長腿鳥類的仿生學(xué)設(shè)計已經(jīng)達到了一定水平，但卻沒人詳細(xì)研究過鳥類在滑翔時對翅膀的細(xì)微操控。這也是因為用活著的鳥做測試是很難的?！耙虼?，我們創(chuàng)建了一個有羽毛的、生物與機械混合，并且可以變換翅膀形態(tài)的機器人。它會盡可能地模仿鴿子的翅膀，以便人們可以系統(tǒng)地測試翅膀動作變化的工作原理，以及它能使鳥類做什么?！盓rich說道：“這等于我們開發(fā)了一個可以研究鳥類翅膀動作的科學(xué)測試平臺。”

Eric表示：“在這項研究過程中遇到的最大挑戰(zhàn)———是要保證能多次對鴿子機器人進行飛行測試而不損壞，以便收集大量數(shù)據(jù)。因為設(shè)計并組裝出這一對機械與羽毛混合的翅膀要花費大量的精力，所以我們在做飛行測試時要非常謹(jǐn)慎，不能讓它墜毀?！薄昂迷谒踩囟冗^了幾天的飛行測試，讓我們收集到了足夠的數(shù)據(jù)。”他補充道。對于這項研究能帶來的更多影響，Eric詳細(xì)解釋道：“鴿子機器人的翅膀變形原理將啟發(fā)未來更多、更強健的翼型可變機器人，它們能夠駕馭更多的運動元素，同時又安全可靠?！薄岸?，我們用來連接的人造韌帶的彈性效果和運動表現(xiàn)非常好。這說明我們不需要單獨控制翅膀每一部分的獨立運動，而是考慮去構(gòu)建一個更為安全可靠的、對被動動力學(xué)要求更少的機器，這也簡化了傳感器和控制算法的設(shè)計工作。傳統(tǒng)意義上，航空工程師設(shè)計飛機上的所有運動部件時，需要仔細(xì)考慮到它們每一個的具體位置。”

研究團隊在實驗室中

Eric的團隊成員Laura Matloff 在Science上發(fā)表的研究則更側(cè)重于基礎(chǔ)理論，就是通過對“鴿子機器人”多次試飛測試得到的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)鳥類翅膀微操作的細(xì)節(jié)。同時，她還研究了不同鳥的羽毛在重疊和打開時候力道、聲音等控制問題。一個有趣的發(fā)現(xiàn)是，類似倉鸮這種“無聲飛行者”們，它們的翅膀開合很安靜;但有很多鳥類的翅膀開合是會發(fā)出很大聲響的，可以想象下一群鵝撲扇著翅膀向你走來。

對于接下來的研究，Eric表示他們正努力地改進“鴿子機器人”的設(shè)計，以便能提高它的飛行性能和可操作性。同時，還在考慮將這個“鴿子機器人”的羽毛控制技術(shù)，逐步轉(zhuǎn)移到其他不同品種的鳥類翅膀模擬上。他還表示，他們設(shè)計的在飛行中連接并控制羽毛之間變化的“定向尼龍搭扣（或者說人造翅膀關(guān)節(jié)）”，能為現(xiàn)代鳥類及其有翼祖先的進化過程提供參考信息。同時，這種設(shè)計還可能被用于時尚、醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域。

Eric Chang是斯坦福大學(xué)的在讀博士，這已經(jīng)是他博士學(xué)習(xí)生涯的第5 年了。他表示，在未來畢業(yè)以后也會一直致力于通過鳥類來啟發(fā)飛行機器人的設(shè)計工作，并用計算機建模和組裝實體模型來進行測試，更深入地理解鳥類的飛行。“我從小就喜歡所有能飛行的東西，也喜歡大自然;所以我沉迷于鳥類和飛行器的研究?！盓ric說道。他提供的生活照，選了一張自己在學(xué)習(xí)馴鷹術(shù)（放鷹捕獵之類）時的照片。而且，可能是擔(dān)心沒有自己的正臉，他還提供了一張常規(guī)的大頭照，但鑒于圖片太多就沒有放出來了。

目前，人們的飛行器，包括最常乘坐的客機基本都是固定機翼的。而Eric Chang和團隊的研究有望推動人類設(shè)計出擁有更靈活機翼的飛機。到那時，或許我們的飛機將變得更加智能、舒適且安全，真正地像鳥一樣可以在各種不同環(huán)境下自由地飛翔。